1月30日至31日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱(chēng)“深圳先進(jìn)院”）生物醫學(xué)與健康工程研究所傳感中心楊慧研究員、譚驍天副研究員課題組先后在生物傳感領(lǐng)域國際期刊ACS Sensors和Analytical Chemistry上發(fā)表2篇論文，介紹團隊在微流控生物分子傳感領(lǐng)域取得的系統性突破。
研究論文分別從理論建模和技術(shù)創(chuàng )新層面攻克了微量液相生物樣本中生物標志物分析難題，建立了管狀微流控免疫反應器的多影響因素耦合模型，并基于傳感中心自研的便攜式微流控化學(xué)發(fā)光免疫分析平臺（TOI）開(kāi)發(fā)出了可進(jìn)行全血直檢的結核病T細胞免疫響應定量檢測技術(shù)，為結核病快速、便捷免疫篩查提供了新思路。
圖1. 兩篇論文的pdf截圖
由于冠狀病毒、流感、支原體肺炎、結核病等傳染性疾病的層出不窮，因為疫苗接種減少、病原體耐藥性增強等因素，結核病等應在前期被有效管控的傳染病，近年來(lái)又有了發(fā)病率抬頭的趨勢。對這些傳染性疾病進(jìn)行便捷有效的診斷，并準確預測個(gè)體及群體針對傳染性病原體的特異性免疫防護能力，成為當前迫在眉睫的任務(wù)。
微流控生物傳感技術(shù)憑借其樣本需求量小、可快速響應和設備便攜等優(yōu)勢，已成為傳染病診斷及免疫反應檢測領(lǐng)域的前沿技術(shù)。然而，該類(lèi)技術(shù)從技術(shù)驗證走向實(shí)際應用始終面臨兩大核心挑戰：其一，微流控系統設計缺乏普適性理論指導，反應器幾何參數（如反應器半徑）與分子結合效率的定量關(guān)系尚未明確，導致器件開(kāi)發(fā)嚴重依賴(lài)經(jīng)驗試錯；其二，復雜生物樣本（如全血）中的基質(zhì)干擾和分子探針性能不足，使得檢測靈敏度、特異性與信噪比難以滿(mǎn)足臨床需求。
尤其在高靈敏度的生物標志物檢測中，傳統微流控系統常因抗體性能不足引發(fā)噪聲，導致假陽(yáng)性率升高。針對這些問(wèn)題，深圳先進(jìn)院研究團隊通過(guò)建立管狀微流控免疫反應器多影響因素耦合模型，揭示了"反應器尺寸-反應條件-分子探針性能"的三維協(xié)同機制，不僅為微流控生物傳感器件的設計提供了量化標準，也為免疫分析抗體探針的開(kāi)發(fā)提供了理論指導，為突破生物傳感技術(shù)的性能瓶頸提供了新啟示。
理論突破：揭示高靈敏度生物傳感的關(guān)鍵參數
研究團隊通過(guò)建立基于"首次通過(guò)時(shí)間法"（First Passage Time,FPT）的管狀微流控免疫反應器動(dòng)力學(xué)模型，量化了高靈敏度生物傳感的關(guān)鍵參數。通過(guò)引入溶液內蛋白分子與傳感器的結合概率（Pon）及解離概率（Poff）的概念，實(shí)現了對抗體探針性能特征的量化建模。
研究發(fā)現，實(shí)現高靈敏度檢測不僅依賴(lài)于微流控反應器的高表面積體積比（S/V），更需要高親和力、高特異性的抗體探針。探測過(guò)程所需的溶液體系及反應時(shí)間也需進(jìn)行精確控制，才可實(shí)現高信噪比（>1000）的定量探測。這些發(fā)現為下一代生物傳感器的設計提供了明確的量化標準，解決了領(lǐng)域內長(cháng)期缺乏理論指導的問(wèn)題。
圖2. 管式微流控免疫分析中分子吸附過(guò)程的定量理論模型
該論文于1月30日發(fā)表于A(yíng)CS Sensors，共同第一作者為國家高性能醫療器械創(chuàng )新中心、深圳先進(jìn)院聯(lián)培博士后呂英楷及深圳大學(xué)碩士研究生、深圳先進(jìn)院客座研究生張彬茂。共同通訊作者為深圳先進(jìn)院楊慧研究員、李皓副研究員，第一通訊作者為譚驍天副研究員。
應用突破：實(shí)現了基于微量血液樣本中T細胞免疫反應的結核病特異性免疫診斷
基于理論模型的指導，研究團隊開(kāi)發(fā)出了一套便攜式微流控化學(xué)發(fā)光免疫分析系統（TOI），及配套的一體式微尺度干擾素釋放測試技術(shù)（CM-IGRA）?？捎糜诮Y核病T細胞免疫響應的精準檢測。該技術(shù)探測目標為血液中T細胞針對結核分歧桿菌特異性抗原肽分泌的干擾素γ（IFN-γ）。僅需50 μL血液樣本即可完成檢測。從采血開(kāi)始的全分析流程僅需約12小時(shí)，較傳統方法的20-24小時(shí)縮短近一半。通過(guò)優(yōu)化抗體探針和信號放大策略，系統對IFN-γ的檢測靈敏度達到8.00 pg/mL（血漿樣本），動(dòng)態(tài)范圍橫跨近4個(gè)濃度量級。
在與深圳市寶安區人民醫院合作開(kāi)展的臨床研究中，研究團隊對八十余名結核病疑似患者的血液樣本進(jìn)行了測試，結果顯示該技術(shù)與金標準方法的一致率達98.39%，且所需樣本量減少至傳統方法的二十分之一。這一技術(shù)創(chuàng )新為結核病在醫療資源緊張地區的快速篩查提供了高效且低成本的方案。此外，深圳先進(jìn)院科研團隊正基于便攜式微流控化學(xué)發(fā)光免疫分析平臺，開(kāi)展其它傳染病防控的相關(guān)研究工作，目前研究均進(jìn)展順利。
圖3. 一體式微尺度干擾素釋放測試技術(shù)（CM-IGRA），發(fā)表于A(yíng)nalytical Chemistry
該論文發(fā)表于A(yíng)nalytical Chemistry，共同第一作者為深圳大學(xué)碩士研究生、深圳先進(jìn)院客座研究生張彬茂及寶安區人民醫院檢驗科主任徐羽中，共同通訊作者為深圳先進(jìn)院譚驍天副研究員，第一通訊作者為深圳大學(xué)柴語(yǔ)鵑助理教授。
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